5.1.1 Термоэлектронные источники
Если нагреть любой материал до достаточно высокой температуры, мы можем дать электронам достаточно энергии, чтобы преодолеть естественный барьер, который предотвращает им просачиваться с поверхности. Этот барьер называется работой выхода (Φ) и имеет значение в несколько эВ.
Физика термоэлектронной эмиссии может быть сведена к закону Ричардсона, который связывает плотность тока от источника, J, c рабочей температурой, T в градусах Кельвина:
(5.1)где k - постоянная Больцмана (8.6×10-5 эВ/K) и A является постоянной Ричардсона (A/м2K2), которая является постоянной для данного материала источника.
Из этого уравнения видно, что нам необходимо нагреть источник до температуры Т такой, что энергия электронов была больше Φ, в этом случае они будут вылетать из источника и будут доступными для формирования электронного пучка. К сожалению, когда мы подводим несколько эВ тепловой энергии к большинству материалов, они либо расплавляются, либо испаряются. Таким образом, единственными жизнеспособными термоэлектронными источниками являются либо огнеупорные керамические материалы (высокая температура плавления) или материалы с исключительно низкой работой выхода. Источники, используемые в течение первых нескольких десятилетий в ПЭМ (и до сих пор использующиеся в некоторых СЭМ) были сделаны из вольфрама, который плавится при 3660 К и единственные термоэлектронный источник использующийся в современных ПЭМ - гексаборид лантана (LaB6), имеющий низкую работу выхода Φ. В таблице 5.1, представлены относительные значения Jc, T, и Φ для вольфрама и LaB6.
Для описания источников электронов используются обычно несколько слов. Вольфрамовый источник часто называют вольфрамовой нитью нитей, потому что вольфрама в нем представляет собой втянутую тонкую проволоку похожую на нить, используемую в лампах накаливания. LaB6 - кристалл, как правило, выращенный в направлении <110> для увеличения эмиссии. Иногда мы называем как вольфрам, так и LaB6 источники катодом, потому что, как мы увидим, полностью собранная электронная пушка представляет из себя триодную систему, где источник является катодом. Таким образом, все, что необходимо знать из физики является то, что нагревание термоэлектронного источника дает нам более высокий ток эмиссии J. Но есть предел, поскольку более высокие температуры сокращают время жизни источника за счет испарения и/или окисления. Таким образом, мы ищем компромисс между температурой эксплуатации и временем жизни катода. По этой причине, термоэмиссионные пушки работают в режиме, который называется «насыщением».
